KR20020051290A - 열구동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열구동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 열구동형 마이크로 펌프는 실리콘기판을 소정 깊이로 식각하여 형성된 트렌치 구조의 주공간영역과 보조공간영역으로 이루어진 펌프 공간 영역, 상기 펌프 공간 영역의 양측에 형성된 트렌치 구조의 유로 영역, 상기 유로 영역과 상기 주공간영역의 일측 사이에 상기 실리콘기판을 식각하여 형성된 실리콘라인으로 이루어져 상기 유로 영역에 인입되는 유체의 흐름을 한 방향으로 유도하는 유체 흐름 저항 영역, 상기 유로 영역의 양끝단에 형성된 유체의 입/출구 영역, 상기 유체의 입/출구 영역만을 오픈시키고 상기 실리콘기판 표면에 접합된 외벽막, 및 상기 주공간영역상의 상기 외벽막상에 형성되어 상기 주공간영역에 채워진 유체의 압력을 상승시키는 열전체를 포함하여 이루어진다.

Description

열구동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법{STRUCTURE OF THERMALLY DRIVEN MICRO-PUMP AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}

본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에 관한 것으로, 특히 극미량 유체 수송 및 제어 분야에 사용되는 마이크로 펌프의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에 마이크로 펌프(Micro pump)는 유전공학, 의료진단, 신약 개발 분야에서 통상의 화학반응 및 분석장치를 초소형화시켜 하나의 칩상에 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 마이크로 펌프는 주로 밀폐된 공간 내부에 얇은 맴브레인(Membrane)막과 밸브 구조를 사용하여 전자기력, 압전력을 이용하여 구동시키거나, 또는 순간 가열 방식에 의한 내부 압력 증가를 이용하여 용액이 갇혀진 보(Reservoir) 내부의 용액을 이동시키는 방법을 이용한다.

통상 마이크로 펌프는 구조적으로 밀폐된 공간을 이용하는 것으로, 2매 또는 3매의 실리콘 또는 유리 기판을 사용하며, 미세 패턴 가공과 기판 양면 접합 공정을 통하여 펌프 구조를 제조한다. 즉, 1매의 기판을 사용하여 기판상에 유로 및 보 등을 일정 깊이와 패턴을 가지는 펌프 구조로 식각하고, 다른 1매의 기판은 구동체 형성을 위한 맴브레인 막과 구동 에너지를 공급하는 전극 또는 구동체를 형성시킨 다음, 2매의 기판을 상호 패턴 정열후 접합하므로써, 밀폐된 공간 구조의 펌프가 제조된다.

전술한 방법으로 제조되는 펌프는 유체의 인입구 및 출구가 접합된 기판에수직으로 뚫려지는 구조를 가지기 때문에 개별적인 펌프 용도로 밖에 사용할 수 없고, 또한 2매 이상의 접합구조로 인한 부가적인 전자회로와 기타 마이크로 장치를 동시에 구현하기가 어렵다.

또한, 이러한 구조의 펌프는 향후 LOC(Lab On a Chip) 개념과 같이 하나의 칩상에서 전자회로와 함께 유체 이송, 분석 작업이 동시에 이루어지는 집적화된 MEMS 장치를 구현하기가 매우 어려운 구조를 가진다.

따라서, 동일 칩상에 실리콘 반도체 소자의 집적화가 가능한 실리콘 표면 가공형 마이크로 펌프의 제조 방법이 필요하다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 실리콘 트렌치 식각과 산화 방법 등의 일반적인 반도체 공정을 이용하여 실리콘 기판 표면상에 매몰된 구조의 평탄한 구조를 가지는 열구동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열구동형 마이크로 펌프를 도시한 사시도,

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 열구동형 마이크로 펌프의 제조 방법을 도시한 평면도,

도 3a 내지 도 3e는 도 2d의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 열구동형 마이크로 펌프의 제조 방법을 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 실리콘 기판 110 : 실리콘질화막

120 : 실리콘산화막 130 : 제 1 실리콘라인

131 : 제 2 실리콘라인 140 : 유로 영역

150 : 주공간영역 160 : 보조공간영역

170a, 170b : 유체 입/출구 영역 180 : 유체 흐름 저항판

200 : 열산화막 300 : 폴리실리콘 외벽막

400 : 열전체 410 : 전극패드

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로 펌프는 실리콘기판을 소정 깊이로 식각하여 형성된 트렌치 구조의 주공간영역과 보조공간영역으로 이루어진 펌프 공간 영역, 상기 펌프 공간 영역의 양측에 형성된 트렌치 구조의 유로 영역, 상기 유로 영역과 상기 주공간영역의 일측 사이에 상기 실리콘기판을 식각하여 형성된 실리콘라인으로 이루어져 상기 유로 영역에 인입되는 유체의 흐름을 한 방향으로 유도하는 유체 흐름 저항 영역, 상기 유로 영역의 양끝단에 형성된 유체의 입/출구 영역, 상기 유체의 입/출구 영역만을 오픈시키고 상기 실리콘기판 표면에 접합된 외벽막, 및 상기 주공간영역상의 상기 외벽막상에 형성되어 상기 주공간영역에 채워진 유체의 압력을 상승시키는 열전체를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 마이크로 펌프의 제조 방법은 실리콘기판을 트렌치 식각하여 서로 다른 라인대 스페이스비를 갖는 실리콘라인으로 이루어진 제 1, 2 영역을 형성하는 단계, 상기 제 1 , 2 영역을 열산화시켜 상기 제 1 영역을 열산화막으로 매립시키고 상기 제 2 영역의 라인폭을 소정 폭만큼 감소시키는 단계, 상기 제 1, 2 영역을 포함한 전면에 펌프의 외벽막으로서 폴리실리콘막을 증착하는 단계, 상기 폴리실리콘막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제 1 영역 및 제 2 영역의 소정 부분을 각각 오픈시키는 유로 입구/출구용 창을 형성하는 단계, 상기 유로 입구/출구용 창을 이용하여 상기 열산화막을 제거하여 상기 폴리실리콘막을 외벽으로 하는 펌핑 공간 영역을 형성하는 단계, 및 상기 폴리실리콘막상에 열전체를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 실리콘 표면에 매몰된 열 구동형 마이크로펌프를 도시한 사시도로서,실리콘기판의 열산화 및 불화수소(HF) 용액의 습식식각 방법에 의해 형성된 펌프의 공동(cavity) 내부 구조를 동시에 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(100)을 소정 깊이로 식각하여 형성된 트렌치 구조의 주공간영역(150)과 보조공간영역(160)으로 이루어진 펌프 공간 영역, 펌프 공간 영역의 양측, 주공간영역(15)과 보조공간영역(160)의 사이에 형성된 트렌치 구조의 유로 영역(140a, 140b, 140c), 유로 영역(140a)과 주공간영역(150)의 일측 사이에 실리콘기판(100)을 식각하여 형성된 실리콘라인으로 이루어져 유로 영역(140a,140b,140c)에 인입되는 유체의 흐름을 한 방향으로 유도하는 유체 흐름 저항판(180), 유로 영역(140a,140b,140c)의 양끝단에 형성된 유체의 입/출구 영역(170a, 170b), 유체의 입/출구 영역(170a, 170b)만을 오픈시키고 실리콘기판(100) 표면에 접합된 폴리실리콘 외벽막(300), 및 주공간영역(150)상의 폴리실리콘 외벽막(300)상에 형성되어 주공간영역(150)에 채워진 유체의 압력을 상승시키는 열전체(400) 및 전극패드(410)로 구성된다.

여기서, 유로 영역(140a,140b,140c), 유체의 입구 및 출구 영역(170a, 170b), 펌프의 주공간영역(150)과 주공간영역(150)보다 작은 보조공간영역(160)이 공동(Cavity)으로 서로 연결되는 구조를 가지며, 이들 영역들은 유체의 입/출구(170a,170b)를 제외한 전면이 폴리실리콘 외벽막(300)으로 덮혀진 구조를 가진다.

그리고, 펌핑 주공간영역(150) 내부에는 유체가 인입되는 입구 가까운 위치에 주공간영역(150)에서 주기적인 순간 가열에 의해 내부 압력 증가 시, 유체의 역류방지를 위한 유체 흐름 저항판(180)이 엇갈리는 사선 형태로 하나 또는 다수개 형성된다.

또한, 열전체(400)(또는 히터) 및 전극패드(410)는 폴리실리콘 외벽막(300)으로 밀폐된 구조의 주공간영역(150) 상부 표면에 금속 또는 도핑된 폴리실리콘을 사용하여 형성되며, 전기적으로 신호 입력에 의해 주공간영역(150)내에 채워진 유체의 온도를 증가시킨다.

상술한 바와 같이 구성된 열 구동형 마이크로 펌프는 밀폐된 펌프 공간 내부에 채워진 유체가 외부에서 열을 순간적으로 받을 경우 내부 압력이 증가하게 되며 내부압력은 유동저항이 적은 쪽으로의 흐름을 일으키게 되는 원리를 이용하는 것으로서, 열전체(400)에 의해서 시간적 간격을 두고 순간적으로 열을 발생시킬 경우, 열전체(400) 아래의 주공간영역(150)에 열이 전달되어 채워진 유체의 압력 상승을 순간적으로 일으키게 되며, 유체는 A 방향에서 유체 흐름 저항판(130)이 없는 B 방향으로 흐른다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 열구동형 마이크로 펌프의 제조 방법을 나타낸 평면도이고, 도 3a 내지 도 3e는 도 2d의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 마이크로 펌프의 제조 방법을 나타낸 단면도이다. 도 2a 내지 도 2d에 도시되지 않은 부분은 도 3a 내지 도 3e를 참조한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(100)상에 실리콘질화막(110)과 실리콘산화막(120)을 순차적으로 적층한 다음, 디자인된 펌프구조체 패턴으로 선택적으로 패터닝하고, 패터닝된 실리콘산화막(120)과 실리콘질화막(110)을 마스크로 이용하여 실리콘기판(100)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 이러한 트렌치는 디자인된 펌프의 평면 구조를 형성하는데, 외형적으로 유로 입구/출구 영역(170a, 170b), 유로(Channel)(140a,140b,140c), 펌핑기능의 주공간영역(150), 보조 공간영역(160)이 연결된 형태를 이루며, 펌핑 주공간영역(150) 내부에서 유동 저항 구조물로 작용하는 유체 흐름 저항판(180)외에는 후속 실리콘 열산화시 실리콘 라인이 완전한 산화가 이루어지도록 다수의 제 1 실리콘 라인(130)으로 구성된다.

이 때, 제 1 실리콘 라인(130)과 스페이스의 선폭 비는 0.45:0.55를 이루거나 라인 선폭 비를 약간 적게 한다(0.45:≤0.55).

한편, 유체 흐름 저항판(180)으로 이용되는 제 2 실리콘라인(131)의 라인과 스페이스 비는 실리콘 열산화시 실리콘 라인이 완전히 산화되지 않도록 하기 위하여, 라인의 선폭 비를 0.45 이상이 되게 한다(0.45> : 0.55).

도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 ,2 실리콘 라인(130, 131)의 측벽을 완전히 열산화시켜 산화막 체적증가에 의해 식각된 스페이스 부분을 열산화막(200)으로 완전히 채운다. 이 때, 유체 흐름 저항판(180)으로 이용되는 제 2 실리콘라인(131)은 소정 부분만 열산화된다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 실리콘질화막(110)과 실리콘산화막(120)을 제거한 후, 전면에 폴리실리콘 외벽막(300)을 증착한 후, 선택적으로 패터닝하여 유로 입구/출구 영역을 형성하기 위한 유로 입구/출구 창(301, 302)을 형성한다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘 외벽막(300)상에 금속 또는 도핑된폴리실리콘막을 증착한 후, 선택적으로 패터닝하여 펌핑기능의 주공간영역(150) 상부에 열전체(400) 및 전극패드(410)를 형성한다.

도 3a 내지 도 3e는 도 2d의 Ⅰ-Ⅰ'선에 따른 열구동형 마이크로 펌프의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 표준 세정 절차를 거친 실리콘 기판(100)상에 수직으로 트렌치(Trench) 식각을 하기 위한 식각마스킹층으로서 실리콘 질화막 (Si₃N₄)(110)을 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD)법으로 1500Å 두께로 증착한다.

계속해서, 실리콘질화막(110)상에 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)법으로 1㎛ 두께의 실리콘산화막(SiO₂)(120)을 증착한다.

실리콘산화막(120)상에 감광막(Photoresist)(도시 생략)을 도포하고 노광 및 현상으로 감광막을 패터닝한 후, 패터닝된 감광막을 마스크로 이용하여 실리콘산화막(120), 실리콘질화막(110)을 순차적으로 식각하여 펌프 구조를 패터닝하고 감광막을 제거한다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘질화막(110) 및 실리콘산화막(120)을 실리콘 식각용 마스킹 박막으로 하여 실리콘 기판(100)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 이 때, 트렌치 형성후, 일방향의 제 1 실리콘라인(130)과 제 1 실리콘라인(130)과 엇갈리는 방향으로 제 2 실리콘라인(131)이 소정 스페이스를 두고다수개 형성되며, a구역은 후속 실리콘기판(100)이 완전히 열산화되는 구역으로서, 유체 흐름 저항판(180)을 제외한 다른 부분들, 예를 들면 유로 입출구영역(170a, 170b), 유로 영역(140a, 140b, 140c), 주공간영역(150), 보조공간영역(160)이 형성될 부분이며, 제 1 실리콘라인(130)과 스페이스의 비가 0.45:≤0.55이다.

그리고, b구역은 후속 열산화후 실리콘기판(100)이 소정 폭만큼 잔류하는 영역으로서, 유체 흐름 저항판(180)으로 작용하며, a구역에 비해 제 2 실리콘라인 (131)의 라인비가 더 크다(0.45>: 0.55).

도 3c에 도시된 바와 같이, 트렌치를 포함한 실리콘기판(100)을 1000℃의 산소 분위기에서 열산화시켜 a구역을 측벽 깊이 방향으로 완전히 산화시켜 a구역을 완전히 열산화막(200)으로 매립시킨다. 이 때, 열산화 공정시간은 a 구역의 제 1 실리콘 라인(130) 선폭의 1/2이 되는 두께로 실리콘기판(100)을 열산화시킬 경우, 식각된 제 1 실리콘 라인(130)의 측벽 양쪽으로 열산화막(200)으로서 실리콘산화막 (SiO₂)이 성장하게 된다.

한편, b 구역은 상대적으로 제 2 실리콘 라인(131)의 선폭이 a 구역의 제 1 실리콘 라인(130)의 선폭보다 더 큼으로 동일한 산화시간동안 제 2 실리콘라인 (131)의 측벽이 완전히 산화되지 않고 소정 폭만큼 잔류하여 펌프의 유동 저항판(180)으로 작용한다. 즉, b영역의 폭이 감소한다.

열산화막(200)을 형성한 후, 실리콘 기판(100)상에 형성된 실리콘산화막 (120)은 6:1BHF(Buffered HF) 용액으로 제거하고, 실리콘질화막(110)은 인산용액을 가열하여 습식 식각 방법으로 제거한다.

도 3d에 도시된 바와 같이, 전면에 저압화학증착법으로 폴리실리콘막(300)을 증착한 후, 리소그라피 공정으로 폴리실리콘막(300)을 식각하여 유체의 입구/출구용 창(301, 302)을 개방한다.

도 3e에 도시된 바와 같이, 유체의 입구/출구용 창(301, 302)을 이용하여 실리콘 기판(100)에 매립된 열산화막(200)을 습식식각하여 완전히 제거하는데, 이 때, 폴리실리콘(300)과 열산화막(200)간 식각선택비가 매우 높은 불화수소(HF) 용액으로 습식식각을 진행한다.

이와 같이, 열산화막(200)을 유체의 입구/출구용 창(301,302)을 통하여 제거시키므로써 실리콘 기판(100) 내부에 폴리실리콘막(300)을 외벽으로 하는 두 개의 빈공간이 형성된다. 이 때, 두 빈공간은 유로 영역, 주공간영역, 보조공간영역이고, 두 빈공간 사이에 잔류하는 b영역은 엇갈린 형태로 형성된 유체 흐름 저항판 (180)으로 작용한다.

유체의 입구/출구용 창(301,302) 개방이 이루어진 폴리실리콘막(300) 표면에 백금(Pt) 또는 도핑된 폴리실리콘막 중 어느 하나의 전도막을 증착하고 리소그라피 공정으로 패터닝하여 열전체(400) 및 금속패드(410)를 형성한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은 통상적인 반도체 제조 공정 즉, 실리콘기판의 트렌치 식각 방법과 실리콘의 열산화특성을 이용하므로써 실리콘기판에 평면적으로 매립된 열구동형 마이크로 펌프를 용이하게 제조할 수 있으며, 동일한 실리콘기판상에 전자회로와의 동시 제작이 가능하고 일관 생산을 통하여 조립 과정이 없는 대량 생산이 가능한 효과가 있다.

그리고, 실리콘 기판에 매립되어 형성되므로서 바이오 칩, 마이크로 유체분석기 등과 같은 극소형 장치 구현에 적용이 용이하며, 어레이 형태로 배열하여 사용할 경우 다점(Multi-point) 분배 장치등에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

1. 마이크로 펌프에 있어서,

   실리콘기판을 소정 깊이로 식각하여 형성된 트렌치 구조의 주공간영역과 보조공간영역으로 이루어진 펌프 공간 영역;

   상기 펌프 공간 영역의 양측에 형성된 트렌치 구조의 유로 영역;

   상기 유로 영역과 상기 주공간영역의 일측 사이에 상기 실리콘기판을 식각하여 형성된 실리콘라인으로 이루어져 상기 유로 영역에 인입되는 유체의 흐름을 한 방향으로 유도하는 유체 흐름 저항 영역;

   상기 유로 영역의 양끝단에 형성된 유체의 입/출구 영역;

   상기 유체의 입/출구 영역만을 오픈시키고 상기 실리콘기판 표면에 접합된 외벽막; 및

   상기 주공간영역상의 상기 외벽막상에 형성되어 상기 주공간영역에 채워진 유체의 압력을 상승시키는 열전체

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 주공간영역과 상기 보조공간영역 사이에 추가로 유로 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 외벽막은 폴리실리콘막인 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열전체는 금속 또는 도핑된 폴리실리콘막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 유체 흐름 저항 영역은 하나 또는 다수의 실리콘라인으로 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 펌프.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌프 주공간영역은 사각형, 원형 또는 다각형 형태로 형성된 것을 특징 으로 하는 마이크로 펌프.
7. 마이크로 펌프의 제조 방법에 있어서,

   실리콘기판을 트렌치 식각하여 서로 다른 라인대 스페이스비를 갖는 실리콘라인으로 이루어진 제 1, 2 영역을 형성하는 단계;

   상기 제 1 , 2 영역을 열산화시켜 상기 제 1 영역을 열산화막으로 매립시키고 상기 제 2 영역의 라인폭을 소정 폭만큼 감소시키는 단계;

   상기 제 1, 2 영역을 포함한 전면에 펌프의 외벽막으로서 폴리실리콘막을 증착하는 단계;

   상기 폴리실리콘막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제 1 영역 및 제 2 영역의 소정 부분을 각각 오픈시키는 유로 입구/출구용 창을 형성하는 단계;

   상기 유로 입구/출구용 창을 이용하여 상기 열산화막을 제거하여 상기 폴리실리콘막을 외벽으로 하는 펌핑 공간 영역을 형성하는 단계; 및

   상기 폴리실리콘막상에 열전체를 형성하는 단계

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1, 2 영역을 형성하는 단계는,

   상기 실리콘기판상에 실리콘질화막, 실리콘산화막을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 실리콘산화막상에 펌프영역을 패터닝하기 위한 마스크를 형성하는 단계; 및

   상기 마스크를 이용하여 상기 실리콘산화막과 상기 실리콘질화막을 순차적으로 식각하고 계속해서 상기 실리콘기판을 식각하는 단계

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1 영역의 실리콘라인은 스페이스가 라인보다 상대적으로 큰 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 제 2 영역의 실리콘라인은 상기 제 1 영역의 실리콘라인의 선폭보다 상대적으로 큰 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 제 1, 2 영역을 열산화시키후,

    상기 제 1 영역에 매립된 열산화막을 상기 실리콘기판의 계면까지 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 열산화막을 제거하는 단계는,

    불화수소 용액을 이용하여 습식제거하는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
13. 제 7 항에 있어서,

    상기 제 2 영역은 하나 또는 다수의 실리콘라인으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.
14. 제 7 항에 있어서,

    상기 주공간영역은 사각형, 원형 또는 다각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 펌프의 제조 방법.